Hoe de warmtecapaciteit te berekenen

Als je het oppervlak van een bevroren vijver langzaam ziet smelten op een atypische warme wintermiddag, en hetzelfde ziet gebeuren op de oppervlak van een nabijgelegen, flinke bevroren plas, zou je kunnen zien dat het ijs in elk ongeveer hetzelfde lijkt te zijn getransformeerd in water tarief.

Maar wat als al het zonlicht dat op het blootgestelde oppervlak van de vijver valt, misschien een hectare groot, tegelijkertijd op het oppervlak van de plas zou worden gericht?

Uw intuïtie vertelt u waarschijnlijk dat niet alleen het oppervlak van de plas heel snel in water zou smelten, maar de hele plas kan zelfs bijna onmiddellijk waterdamp worden, waarbij de vloeibare fase wordt omzeild om een ​​waterige te worden gas. Maar waarom zou dit vanuit natuurwetenschappelijk oogpunt zo zijn?

Diezelfde intuïtie vertelt je waarschijnlijk dat er een verband bestaat tussen warmte, massa en de verandering in temperatuur van ijs, water of beide.

Toevallig is dit het geval en het idee strekt zich ook uit tot andere stoffen, die elk een ander "weerstanden" tegen hitte, zoals blijkt uit verschillende temperatuurveranderingen in reactie op een bepaalde hoeveelheid indien toegevoegd warmte. Deze ideeën vormen samen de concepten van:

Warmte is een van de schijnbaar ontelbare vormen van de hoeveelheid die in de natuurkunde bekend staat als energie. Energie heeft eenheden van kracht maal afstand, of newtonmeters, maar dit wordt meestal de joule (J) genoemd. In sommige toepassingen is de calorie, gelijk aan 4,18 J, de standaardeenheid; in weer andere regeert de btu, of Britse thema-eenheid, de dag.

Warmte heeft de neiging om van warmere naar koelere gebieden te "verschuiven", dat wil zeggen, naar gebieden waar momenteel minder warmte is. Hoewel warmte niet kan worden vastgehouden of gezien, kunnen veranderingen in de grootte ervan worden gemeten via veranderingen in temperatuur.

Temperatuur is een maat voor de gemiddelde kinetische energie van een reeks moleculen, zoals een beker water of een container met een gas. Het toevoegen van warmte verhoogt deze moleculaire kinetische energie, en dus de temperatuur, terwijl het verlagen ervan de temperatuur verlaagt.

Waarom is een joule gelijk aan 4,18 calorieën? Omdat de calorie (cal), hoewel niet de SI-eenheid van warmte, is afgeleid van metrische eenheden en op een bepaalde manier fundamenteel is: het is de hoeveelheid warmte nodig om één gram water bij kamertemperatuur met 1 K of 1 °C te verhogen. (Een verandering van 1 graad op de Kelvin-schaal is identiek aan een verandering van 1 graad op de Celsius-schaal; de twee zijn echter ongeveer 273 graden verschoven, zodat 0 K = 273,15 °C.)

• De "calorie" op voedseletiketten is eigenlijk een kilocalorie (kcal), wat betekent dat een blikje frisdrank van 12 ons ongeveer 150.000 echte calorieën bevat.

De manier waarop men zoiets kan bepalen door middel van experimenten, met behulp van water of een andere substantie, is door een gegeven massa ervan in een container, voeg een bepaalde hoeveelheid warmte toe zonder dat de stof of warmte uit het geheel kan ontsnappen, en meet de verandering in temperatuur.

Omdat je de massa van de stof kent en kunt aannemen dat warmte en temperatuur overal gelijk zijn, kun je kan door eenvoudige deling bepalen hoeveel warmte een eenheidshoeveelheid, zoals 1 gram, met hetzelfde zou veranderen temperatuur.

De formule voor warmtecapaciteit is er in verschillende vormen, maar ze komen allemaal neer op dezelfde basisvergelijking:

Q = mCΔT

Deze vergelijking stelt eenvoudig dat de verandering in warmte Q van een gesloten systeem (een vloeistof, gas of vaste stof) materiaal) is gelijk aan de massa m van het monster maal de temperatuurverandering ΔT maal een parameter C genaamd specifieke warmte capaciteit, of gewoon specifieke hitte. Hoe hoger de waarde van C, hoe meer warmte een systeem kan opnemen bij dezelfde temperatuurstijging.

Warmtecapaciteit is de hoeveelheid warmte die nodig is om de temperatuur van een object met een bepaalde hoeveelheid (meestal 1 K) te verhogen, dus de SI-eenheden zijn J/K. Het object kan uniform zijn, of niet. Het is mogelijk om de warmtecapaciteit van een mengsel van stoffen zoals modder ruwweg te bepalen als je kende zijn massa en mat zijn temperatuurverandering als reactie op verwarming in een afgesloten apparaat van enige soort.

Een meer bruikbare hoeveelheid in scheikunde, natuurkunde en techniek is: soortelijke warmtecapaciteit C, gemeten in eenheden warmte per massa-eenheid. Eenheden voor soortelijke warmtecapaciteit zijn meestal joule per gram-kelvin, of J/g⋅K, ook al is de kilogram (kg) de SI-eenheid van massa. Een van de redenen waarom soortelijke warmte nuttig is, is dat als je een bekende massa van een uniforme stof hebt en de warmte ervan kent know capaciteit, kunt u de geschiktheid beoordelen om als een "koellichaam" te dienen om brandrisico's in bepaalde experimentele te voorkomen situaties.

Water heeft namelijk een zeer hoge warmtecapaciteit. Gezien het feit dat het menselijk lichaam de toevoeging of aftrekking van aanzienlijke hoeveelheden warmte moet kunnen verdragen dankzij de aardse wisselende omstandigheden, zou dit een basisvereiste zijn van elke biologische entiteit die grotendeels uit water bestaat, aangezien bijna alle grote levende wezens dingen zijn.

Stel je een sportstadion voor met 100.000 zitplaatsen, en een andere aan de andere kant van de stad met 50.000 zitplaatsen. In één oogopslag is het duidelijk dat de absolute "zitcapaciteit" van het eerste stadion twee keer zo groot is als die van het tweede. Maar stel je ook voor dat het tweede stadion zo is geconstrueerd dat het slechts een vierde van het volume van de eerste.

Als je de algebra doet, zie je dat het kleinere stadion eigenlijk twee keer zoveel mensen biedt seats per ruimte-eenheid als de grotere, waardoor deze tweemaal de "specifieke stoel" -waarde krijgt.

Denk in deze analogie aan individuele toeschouwers als eenheden van warmte van dezelfde grootte, die het stadion in en uit stromen. Terwijl het grotere stadion in totaal twee keer zoveel "warmte" kan bevatten, heeft het kleinere stadion in feite twee keer de capaciteit om deze versie van "warmte" per ruimte-eenheid te "opslaan".

Als wordt aangenomen dat elke sectie van gelijke grootte van beide stadions dezelfde hoeveelheid afval na de wedstrijd produceert als deze vol is, ongeacht hoeveel mensen het bevat, de kleinere zal twee keer zo effectief zijn in het verminderen van het zwerfvuil van individueel toeschouwers; beschouw dit als twee keer zo veerkrachtig tegen temperatuurstijgingen per eenheid toegevoegde warmte.

Hieruit kun je zien dat als twee objecten met dezelfde soortelijke warmte verschillende massa's hebben, de grotere een grotere warmtecapaciteit zal hebben met een hoeveelheid die schaalt met hoeveel massiever het is. Bij het vergelijken van objecten met verschillende massa's en verschillende soortelijke warmte wordt de situatie complexer.

Het metaalkoper heeft een soortelijke warmte van 0,386 J/g⋅K. Hoeveel warmte is er nodig om de temperatuur van 1 kg (1.000 g of 2,2 pond) koper te verhogen van 0 °C naar 100 °C?
Q = (m)(C)(ΔT) = (1.000 g)(0.386 J/g⋅K)(100 K) = 38.600 J = 38,6 kJ.

Wat is de warmte capaciteit van dit stuk koper? Je hebt 38.600 J nodig om de hele massa met 100 K te verhogen, dus je zou 1/100ste hiervan nodig hebben om het met 1 K omhoog te duwen. Dus de warmtecapaciteit van koper in deze maat is 386 J.